謝和平院士：煤炭開采利用可望實現(xiàn)“自身碳中和”

　　6月21日，在新疆烏魯木齊召開的第二十二屆全國科學采礦與礦壓理論會議上，中國工程院謝和平院士首次提出“負碳高效充填開采”全新技術(shù)構(gòu)想，構(gòu)建了負碳矸石快速高效膠結(jié)高孔隙混合物充填體、多面并采的負碳高效充填開采技術(shù)與工藝等全新理念與技術(shù)方案路徑，構(gòu)建了基于CO2、矸石與快速膠結(jié)劑混合物“CGIF”充填體的“近零生態(tài)損害、近零沖擊地壓及負碳開采”的礦山充填全新技術(shù)體系，可望在全球率先形成“煤炭負碳開采、低碳利用”的煤炭開發(fā)利用全過程“自身就實現(xiàn)碳中和”的新格局。

　　礦山安全高效低碳開采是永恒的主題，當前仍面臨一系列挑戰(zhàn)。煤炭開采過程中如何實現(xiàn)近零沖擊地壓發(fā)生的安全開采?如何實現(xiàn)近零生態(tài)損害以及低碳、零碳、負碳的綠色開采?一直是全球采礦界的熱點和難點。破解這些難題，謝和平院士提出的負碳高效充填開采全新理念和技術(shù)體系是實現(xiàn)千米深井和千萬噸產(chǎn)能礦井高效開采(“兩個一千”)，同時保障“近零生態(tài)損害和近零沖擊地壓”(“兩個近零”)唯一根本途徑。

　　我國目前的充填開采技術(shù)推廣還存在很多阻力和難處，主要挑戰(zhàn)是：充填作業(yè)影響采煤速度、影響出煤量、影響煤炭生產(chǎn)效益;充填材料不夠，大規(guī)模充填開采所需矸石量嚴重不足;充填作業(yè)成本高;也不能實現(xiàn)低碳、零碳、負碳的綠色開采要求。為此，謝和平院士提出“負碳高效充填開采”全新技術(shù)構(gòu)想，及實現(xiàn)“兩個一千、兩個近零、一個負碳(負碳開采)、兩個解放(生態(tài)薄弱區(qū)煤炭資源解放、沖擊危險地區(qū)煤炭資源解放)”的技術(shù)路線和戰(zhàn)略目標，構(gòu)建出了“近零生態(tài)損害、近零沖擊地壓及負碳煤炭開采”的礦山充填4大全新技術(shù)體系：

　　一是研究攻關(guān)矸石快速高效膠結(jié)高孔隙充填體，破解大規(guī)模充填開采充填材料不足的難題。采用復(fù)雜系統(tǒng)科學方法，精確描述復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學系統(tǒng)中的應(yīng)力、位移和變形，建立數(shù)學模型。采用分形幾何方法，定量表征三維高孔隙材料幾何拓撲結(jié)構(gòu)，研究出新型高孔隙度矸石-膠體復(fù)合材料，實現(xiàn)充填材料低密度、高孔隙率框架式承載，高孔隙充填體矸石用量將減少20%~40%，力學強度與密實充填體相當。

　　二是研究攻關(guān)負碳矸石快速高效膠結(jié)高孔隙混合物“GCIF”充填體，破解大規(guī)模CO2封存固化的負碳開采難題。高孔隙材料用于儲氫儲能是國際科研熱點，據(jù)SCIENCE報道利用化學原理設(shè)計了原子排列十分精確的多孔材料(金屬有機框架化合物MOF)，1克材料可以鋪滿1.3個足球場。如果我們以常態(tài)或超臨界的CO2作為氣體或液體，與矸石快速高效膠結(jié)高孔隙充填體來構(gòu)建CO2與矸石及快速膠結(jié)劑混合物“CGIF(CO2 Gangue Inorganic Framework)”，這樣就形成一個全新的混合充填體理念，既能快速高孔隙低密度強力充填，又能大規(guī)模固化CO2，其中CO2還能起到支撐承壓作用;是一個負碳高效充填開采全新的技術(shù)路徑，可望在全球率先創(chuàng)造煤炭負碳開采、低碳利用，在煤炭開發(fā)利用全過程自身實現(xiàn)碳中和新路徑。

　　三是研究攻關(guān)快速粘凝膠結(jié)材料，破解礦山充填開采影響開采速度的難題。研究快速膠凝作用機理，在膠結(jié)材料中添加無機類早強劑/納米晶體材料，提供更多形核點位，降低凝膠成核勢壘，極大提高水化凝固反應(yīng)速率;引入擾動場加速分子反應(yīng)速度，添加交聯(lián)劑促進聚合反應(yīng)，攻克膠體凝膠化的分子動力學調(diào)控方法，最終開發(fā)出粘結(jié)強度高、固化速度快、固結(jié)強度大的快速粘凝膠結(jié)材料。

　　四是研究攻關(guān)多面并采的負碳高效充填開采技術(shù)與工藝，破解礦山充填開采影響煤炭產(chǎn)能的難題。攻關(guān)新型充填開采技術(shù)，創(chuàng)新負碳高效膠結(jié)高孔隙充填體工藝方法，來提高單面充填開采產(chǎn)能(100~500萬t/a)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建實施2~3個工作面同時并采的技術(shù)方案思路，就可實現(xiàn)千萬噸級礦井負碳高效充填開采。同時探索攻關(guān)單層采區(qū)多面并采和立體空間多面并采的負碳高效開采工藝和相應(yīng)的負碳高效充填技術(shù)及裝備，突破充填開采影響煤炭生產(chǎn)效率的瓶頸，可望實現(xiàn)千萬噸級以上產(chǎn)能的礦山負碳高效充填開采。

常規(guī)充填開采技術(shù)

多面并采的負碳高效充填開采技術(shù)

　　該技術(shù)體系顛覆性地實現(xiàn)了煤炭負碳開采。如果在此基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔煤電的低碳利用，就有望使煤炭開發(fā)利用全過程自身實現(xiàn)碳中和。( 倪珺 )

　　來源;中國經(jīng)濟導報-中國發(fā)展網(wǎng)